第1章 绪论
　　1.1 引言
　　随着社会经济的发展，人民生活水平日益提高，人均汽车保有量逐年攀升，随之而来的交通拥堵不仅导致经济社会诸项功能衰退，而且引发城市生存环境持续恶化，成为阻碍城市可持续发展的“顽疾”“毒瘤”。交通拥堵对社会生活影响巨大，不仅增加了居民的出行时间和成本，影响了工作效率，而且抑制了人们的日常活动，使城市活力大打折扣，居民的生活质量随之下降。此外，交通拥堵导致道路上高峰时段出行的机动车排放增加，对环境的污染加剧。
　　1.2 研究背景和意义
　　解决城市交通问题的根本途径有两条：一是硬件设施建设，即加快城市交通基础设施扩增；二是软件设施建设，即加强城市交通管理。城市交通基础设施建设主要包括：新建、改建、加快道路(包括主干路、次干路和支路)的建设，疏通堵塞点；大力建设轨道交通系统(地铁和城铁线路)；加强各种交通硬件的建设(停车场地，公共交通设施、信号和指示系统)等。这些措施统称为交通硬件设施建设。加强城市交通管理主要是引进或自主开发智能交通管理系统，以实现交通管理现代化、管理数字化、信息网络化和办公自动化，主要包括：为提高交通信息的共享效率而建立综合的交通信息平台、为完善交通控制和管理而建立智能交通管理和控制系统、建立智能公交指挥系统和车辆导航系统等，这些措施统称为交通软件设施建设。交通硬件设施建设的不断扩展，使城市管理部门需要付出的成本不断上升，而高额成本必将成为其面临的更大问题，而软件设施建设，在投入上要明显少于硬件设施建设，而且见效快。因此，在现有城市硬件设施的基础上，加强交通管理和控制，自主开发和引进先进的智能交通管理系统是解决目前交通问题的有效途径之一。
　　1.3 智能交通系统发展
　　智能交通系统(intelligent transportation system，ITS)是指将先进的信息技术、电子通信技术、自动控制技术、计算机技术和网络技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统。日本、美国、澳大利亚等都建立了相应的组织机构从事相关方面的开发应用，并取得了一些成果。我国也早已认识到智能交通的重大战略意义，采取了一系列得力举措，加大了智能交通研究投入，重点扶持潜力大的研究方向。
　　在ITS技术研究中，国内外专家学者不断引入智能控制的理论与方法。日本学者Nakatsuyama等[1]对交叉口的模糊控制进行了更为深入的研究，提出了有效的交通信号配时方案。国内学者东南大学陈森发等[2]提出了分层递阶多级模糊控制思想，实现对主干路交通流的控制。五邑大学刘智勇[3]提出了运用模糊神经网络和遗传算法结合的城市交通自适应控制思路。吉林大学杨兆升等[4]运用神经网络建立非线性的交通流预测模型，实现对城市交通流的诱导和控制。东南大学王炜等[5]通过分析城市交通网络的动态特性来建立交通流的分配模型。这些研究成果大大推动了城市交通智能控制的发展，为后来的研究提供了良好的思路和借鉴。综上所述，对城市交通系统的控制*先是从单个交叉口的单点控制开始，逐步发展到整条主干路的干线控制，*后扩展到在交通流预测的基础上实施动态交通分配和交通诱导控制。
　　国外对ITS的研究始于20世纪60年代，当时该研究由于信息处理技术的不发达曾一度陷入低谷。80年代中期以后，随着信息处理技术的不断发展成熟，各国对ITS的研究热情又重新高涨起来，特别是进入90年代以后，发达国家在ITS研究方面投入了大量的人力、物力和财力，使ITS成为继航天、军事领域之后，高新技术应用*为集中的领域。
　　美国在20世纪60年代开展世界上领先的ITS技术开发和研究，集中了其国内各种优势研发力量，在政府和国会的参与下成立了ITS的领导和协调机构。1991年，美国制定了《综合路面运输效率法案》(Intermodel Surface Transportation Efficiency Act，又称《冰茶法案》)，在美国交通部的指导下开展工作，每年投入2亿美元的ITS研究经费。
　　欧洲于20世纪70～80年代进行了汽车导航系统实验。欧洲从80年代后期到1994?年进行了两个?ITS?实验：一个是以先进交通管理系统(advanced traffic management system，ATMS)和先进出行者信息系统(advanced traveler information system，ATIS)为中心的欧洲安全行车专用公路基础(dedicated road infrastructure for vehicle safety in European，DRIVE)实验研究；另一个是以先进车辆控制及安全系统(advanced vehicle control and safety system，AVCSS)为中心的具有高效和绝对安全的欧洲交通(program for a European traffic with highest efficiency and unprecedented safety，PROMETHEUS)实验研究。1989～1992年的DRIVE1主要针对的是可能解决的技术促进类项目，1992～1994年的DRIVE2主要以公共服务为中心，包含需求管理、旅行交通信息、城市内综合交通管理、驾驶员辅助和协调驾驶、物流管理、公共交通管理等方面。PROMETHEUS是1986年德国奔驰公司倡导的以13个汽车公司为中心的研究项目，研究内容包括图像识别、路面附着系数检测、车线偏离警告、障碍物回避、车队协调行驶、自动智能化车线控制、交通管理等。
　　我国ITS方面的研究工作起步较晚。20世纪80年代初期，我国从治理城市交通入手，开始运用高科技手段发展交通运输系统。90年代初，一些高校和交通研究机构开始了城市交通诱导系统技术的研究和尝试。“九五”期间，交通部提出“加强智能公路运输系统的研究与发展”，结合我国国情，分阶段地开展交通控制系统、驾驶员信息系统、车辆调度与导航系统、车辆安全系统和收费管理系统等五个领域的研究开发、工程化和系统集成。为加快我国智能交通研究步伐，北京、上海、深圳、青岛、大连等经济条件相对发达的城市先后从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监控系统，通过引进、消化、吸收三步走战略，国内的大型企业和运输管理部门加大了ITS方向的研究力度，创建了具有自主知识产权的智能交通控制系统。
　　1.4 交通信号控制技术发展
　　交通信号控制从*初的手动控制开始，经历了机械式控制、电动式控制和目前的计算机控制。控制范围从*初的单交叉口控制到主干线控制以及整个交通网络的区域控制，控制方式也由离线定周期控制发展到在线实时控制。
　　1.4.1 交通信号控制的发展历史
　　早在1850年，随着城市交叉口数量不断增长，交通问题频现，引发了人们对安全和拥堵的关注。**次对交叉口交通的控制尝试起源于1868年英国伦敦，当时由警察手工轮流变换指挥用的旗帜(当时的控制指令可以称为旗语)。这种控制方式在1908年传到美国纽约，很快在全美国推广开来。城市电气化的发展导致了1914年俄亥俄州的克利夫兰市出现了**台电力驱动的交通信号灯。1919年，纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。1923年，Garrett Morgan申请了发明专利——Morgan交通信号灯，后来卖给了通用电气公司。1932年，布鲁克林Parkside大街上的*后一个手动控制的旗子被电机控制信号灯取代。1920～1970年，电机驱动的信号灯占据了交通信号控制系统的主要市场。周期长度是通过安装合适的齿轮来进行保证的，通过在一个计时转盘上插入销子把周期分成不同的时间间隔。为了适应交通变化的需要，这种划分时间的方式被称为“三时段”划分法。同时为了保证相邻的交叉口能够在一个交通信号系统中以预计的信号周期、绿信比和相位差下工作，发展了一种称为“七条线缆”的连接方式，使相邻的电机驱动信号灯能够在一种系统控制的方式下工作，即使步入了21世纪，一些城市的某些地方仍然使用这种基于三个时段划分周期的信号控制器和七条线缆连接的系统。甚至，大部分在电机驱动的系统中发展起来的专业术语至今仍然在现代的微处理控制器中使用。
　　经过几十年的发展，城市交通信号控制系统先后有很多种，除交通网研究工具(traffic network study tool，TRANSYT)以外，还有绿信比、周期与相位差优化技术(split， cycle and offset optimization technique，SCOOT)、悉尼协调自适应交通控制系统(Sydney coordinated adaptive traffic system，SCATS)等，在世界上的很多城市得到广泛应用。我国的北京市在20世纪80年代末期引进的是TRANSYT和?SCOOT，上海、杭州、沈阳和广州引进的是?SCATS，青岛、大连引进的是SCOOT。
　　1.4.2 典型交通信号控制系统
　　世界上*著名、应用*广泛的交通控制系统是英国的TRANSYT、SCOOT和澳大利亚的SCATS。
　　TRANSYT是英国道路研究所于1966年提出的一套离线优化交通网络信号配时的软件。TRANSYT自问世以来，系统不断改进，到1980年已经修改8次。TRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，主要由仿真模型和优化计算两部分组成。TRANSYT将车辆延误时间和停车次数以加权和的形式折合成总运行费用，以总运行费用*小为系统的优化目标；控制参数为绿信比和相位差，通过建立数学模型采用爬山法进行离线优化计算确定，再上机进行控制；周期是通过比较选择确定的，即从事先确定的方案中，通过比较各个运行指标选出*佳周期。
　　TRANSYT是*成功的静态系统，它被世界上400多个城市采用。但它也存在明显不足：不能适应交通流的变化；若要重新进行信号配时，需要重新进行交通调查，费用较高；信号周期未进行优化，其信号配时不能保证是全局*优的。
　　SCOOT是在TRANSYT的基础上发展起来的一种交通网络实时协调控制的自适应控制系统，于1979年投入使用。SCOOT系统的模型和优化原理与TRANSYT相仿，不同的是SCOOT为方案生成式的控制系统，通过安装在上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息，联机处理，形成控制方案，连续实时调整周期、绿信比和相位差以适应不同的交通流。SCOOT采用小步长寻优方法，无需大的计算。
　　由于采用实时控制，SCOOT的控制效果明显优于TRANSYT，也被很多国家所采用。然而，该系统的不足也是很明显的：相位不能自动增减，相序不能自动改变，需要大量的检测器，单个检测器的失效又可能导致系统崩溃，饱和流率的校核未实现自动化，使现场调试安装非常烦琐。
　　SCATS是澳大利亚在20世纪70年代末期开发的，80年代初投入使用。SCATS采用分层递阶的控制结构，其控制中心配备一台监控计算机和一台管理计算机，通过串行数据通信线连接。地区级的计算机自动把数据送到管理计算机，监控计算机连续监视所有路口的信号运行、检测器工作状况。地区主控制器用于分析路口控制器送来的车流数据，确定控制策略，并对本区域各路口进行实时控制，同时还要把收集到的所有数据送到控制中心作为运行记录并用于脱机分析。路口控制器主要是采集分析检测器提供的交通数据，并传送到地区级主控制器，同时接收地区控制器的指令，控制本路口信号。
　　SCATS采用地区级联机控制，中央级联机与脱机同时进行的控制模式，以类饱和度(车流有效利用绿灯时间与绿灯显示时间之比)综合流量*大为目标；无实时交通模型，控制参数为绿信比、相位差和周期。该系统是一种先进的交通控制系统，在许多城市的交通控制中起着重要作用，但它也存在下面的缺点：没有实时交通模型；选择相位差方案时，无车流实时反馈信息，可靠性低；无法检测到排队长度，无法消除拥堵。